崇州市平原区农地土壤镉含量特征及影响因素分析

崇州市平原区农地土壤镉含量特征及影响因素分析

土壤中的重金属元素具有难以分解、易于积累、毒性高等性，存在潜在的人类健康风险。近年来,随着交通及工矿业的快速发展、农药化肥的大量使用等因素,土壤重金属污染问题日趋严重。由于其隐蔽性和不可逆等特性,土壤重金属污染特征、来源及潜在风险等问题受到了国内外学者的广泛重视。镉(Cadmium,Cd)是一种毒性极强的重金属元素,也是人体和植物非必需元素。镉通过食物链进入人体后,会对人体肾、肺、肝、睾丸、脑、骨骼及血液系统等产生损伤,造成急性或慢性中毒,甚至癌变。目前,土壤镉已是全球性污染物质之一,土壤镉污染问题已成为国内外学者研究的热点之一。成都平原位于四川盆地西部,其水稻、小麦和油菜产量高而稳定,是我国重要的商品粮生产区,近年来成都平原土壤重金属污染问题受到了广泛关注。前人研究结果表明,土壤镉(Cd)是成都平原各区域最主要的重金属污染物之一[13,14,15,16,17,18],如:朱礼学研究表明成都平原西部土壤存在镉污染问题;刘红樱等研究发现,成都市区以及邛崃山东坡、龙门山、彭州等各区县均存在不同程度的土壤镉污染;李冰等的研究则表明,成都平原大多数区县土壤镉含量与1982年相比有不同程度的上升,其中广汉、新都和邛崃等地上升最为明显。相关研究从区域地质背景、大气沉降以及人为活动等因素对成都平原土壤镉污染原因进行了探讨,初步判断该区域土壤镉污染为自然地质过程和后期人为活动所致,但对这些因素的影响程度和范围尚需进行深入分析。本研究以成都平原腹地的崇州市平原农区为研究区,通过采样分析该区域土壤镉含量特征,并对其污染状况、潜在生态风险和健康风险进行分析和评价;同时,结合研究区成土母质、土壤类型、农地利用方式、交通及水系分布等因素,对该区域土壤中镉的来源进行解析,以期深化对研究区土壤镉污染机制的认识,为该区域土壤镉污染防控、农地的合理规划利用及农产品的安全生产提供科学依据。1材料和方法1.1平均气温湿度特征崇州市位于成都平原腹地,地理坐标处于东经103°7′~103°49′、北纬30°30′~30°53′之间(图1a)。境内主要有山地、丘陵、平原三种地貌类型,其市郊平原区是成都平原典型的农业区和主要粮食生产基地,也是全国商品粮基地、瘦肉型猪基地和国家级农业综合开发区所在地。该区气候属于四川盆地亚热带湿润季风气候,年平均气温15.90℃,年平均日照时数1161.50h,年平均降雨量1012.40mm,平均无霜期285d。研究区属于岷江水系的自流灌溉区,处于著名水利工程都江堰的调控范围,境内最大的河流西河和金马河分别从研究区中部和东部边缘过境(图1c)。区内成土母质主要有岷江灰色冲积物、西河紫色冲积物、岷江西河冲积物交混而成的紫灰色冲积物以及由第四纪更新世老冲积台地上的黄壤经洪水搬运而成的再积黄泥(图1b)。土壤类型主要为水稻土,包括渗育灰潮田、潴育黄泥田和潴育灰潮田3个最主要的土属。区域农地利用方式以水稻-小麦和水稻-油菜2种典型的水旱轮作方式为主,这2种方式也是成都平原最典型的农地利用方式,其次为种植园艺植物的园地。受成都市经济发展的影响,该区域近年来经济发展迅速,2012年全市实现地区生产总值163.43亿元,比上年增长13.10%,其中第一产业实现增加值27.57亿元,增长4.40%;第二产业实现增加值78.44亿元,增长18.70%。区内多条高速和国道省道等交通干线贯穿全境(图1c)。1.2样品采集和分析于2013年1月根据研究区典型农地利用方式、成土母质、土壤类型以及交通道路等因素,在兼顾均匀性的基础上进行布点采样。在每个采样点位采用混合取样的方法采集农地表层土壤(0~20cm),全区共采集土壤样品69个(图1b)。每个采样点均以GPS对样点地理坐标进行定位,同时详细记录其土地轮作方式及周边环境状况。土壤样品带回实验室经自然风干、去除杂物、敲碎后,分别过2mm和0.15mm尼龙筛。土壤样品先用氢氟酸(HF)-高氯酸(HClO4)-硝酸(HNO3)进行消解,再用石墨炉原子吸收法测定样品中镉含量,土壤pH值则采用电位法测定。为保证质量,分析中使用的试剂为优级纯,蒸馏水为超纯水,实验所用的器皿均用10%的硝酸浸泡过夜,刷洗并用超纯水冲洗;测试过程同时以重复样和国家标准物质进行控制。1.3学习方法1.3.1重金属污染程度评价潜在生态风险指数法由瑞典科学家Hankanson提出,该方法根据重金属元素对环境作用的特点和影响大小不同,对土壤或沉积物中重金属污染物造成的污染程度和潜在生态风险危害进行评价,是目前评价重金属潜在生态风险广泛应用的方法,其计算式如下:式中:Cri为土壤重金属浓度实测值;Cσi为参比值(自然背景值);Tri为重金属i的毒性系数;Eri为单一重金属的潜在生态风险指数,描述某一污染物(元素)的潜在污染危害程度,可分为5个等级,分别表示低、中、较高、高和极高生态风险。1.3.2土壤中镉的检测镉为致癌物,其进入人体后引起的致癌风险可采用致癌风险模型进行评价:式中:CR(Cancerrisk)表示致癌风险,若CR值小于10-6则风险可以忽略不计,可接受的风险值范围在1×10-6~1×10-4之间,风险达到10-4即被认为是不可接受的;SF(Slopefactor)表示斜率因子,kg·d·mg-1;CDI(Chronicdailyintake)表示日慢性摄取剂量,mg·kg-1·d-1,CDI可由下式计算得到:式中:c指土壤中镉的浓度,mg·kg-1;IR(Ingestionrate)表示摄取速率,mgsoil·d-1;CF(Conversionfactor)表示转换因子,10-6kg·mg-1;FI(Fractioningestedfromcontaminatedsource)表示摄取分数(范围0.0~1.0),%;EF(Exposurefrequency)表示暴露频率,d·a-1;ED(Ex-posureduration)为暴露持续时间,a;BW(Bodyweight)表示体重,kg;AT(Averagingtime)表示平均接触时间,d。各参数取值详见参考文献[26-27]。1.3.3土壤镉含量的影响因素在SPSS中采用方差分析和回归分析研究区域成土母质、土壤类型、农地利用方式、交通以及水系对土壤镉含量的影响。其中成土母质、土壤类型等定性变量采用哑变量进行赋值。回归分析中各回归方程的校正决定系数用以确定各影响因素对土壤镉含量变化的独立解释能力。2结果与讨论2.1土壤镉的偏态分布统计结果表明(表1),研究区土壤pH值在4.65~8.14之间,平均为6.46,总体处于微酸性;其中处于酸性、微酸性、中性和碱性的样点数分别为15、23、12个和19个。土壤镉含量变化范围在0.16~0.77mg·kg-1之间,变异系数为36.42%,属于中等程度的变异性,其中最大值出现在研究区北部的元通镇。土壤镉含量平均值为0.33mg·kg-1,该平均含量已高于国家土壤环境质量标准中的二级标准(GB15618—1995),同时也超过姚廷伸提出的该区域背景值(0.16mg·kg-1)1.06倍和中国土壤背景值(0.097mg·kg-1)1.38倍,略高于王英英等2010年在成都平原西部6个县区得到的研究结果(0.32mg·kg-1)。从数据分布类型来看(表1),研究区土壤镉呈偏态分布(K-S检验,P=0.047)。由于本研究的后续统计方法要求变量呈正态分布,同时为避免负值,研究过程中将土壤镉含量值乘以10后取对数,对数转换后的值符合正态分布(P=0.608),将该对数转换值用于本研究后续的方差分析和回归分析。2.2研究区土壤镉潜在生态风险指数及健康风险评价结合各样点pH值,分别采用国家土壤环境质量(GB15618—1995)一、二级标准对各采样点的超标情况进行评价(图2a)。结果表明,69个采样点中仅有3个采样点镉含量未超标,仅占全部样点数的4.35%,分别分布于东关乡、道明镇和观胜镇(图2a)。有66个样点土壤镉含量超过国家土壤环境质量一级标准,占全部样点数的95.65%,其中有21个样点超过二级标准,占全部样点的30.43%。超过二级标准的样点主要分布于研究区西南部的西江乡、白头镇、隆兴镇及集贤乡,东部的羊马镇和安阜乡,南部的三江、江源和听江镇,北部的元通镇(图2a)。从空间分布来看,研究区西南各乡镇土壤镉二级超标率较高。根据Hakanson提出的归一化处理后镉的毒性系数,以研究区土壤镉含量背景值为参比值,对研究区土壤镉潜在生态风险进行分析(图2b)。结果表明,研究区土壤镉潜在生态风险指数变化范围在29.66~145.18之间,对应低生态风险至中等生态风险;平均生态风险指数值为60.50,即研究区土壤镉总体处于中等程度的潜在生态风险。根据生态风险指数变化范围,69个样点中仅有8个样点处于低生态风险状态,占全部样点数的11.59%,主要分布于研究区北部和西部各乡镇(图2b);有52个样点处于中等生态风险状态,占全部样点数的75.36%,广泛分布于各乡镇;9个样点具有较高生态风险,主要分布于市区西南部的西江乡、隆兴乡、集贤乡、燎原镇以及北部接近山区的元通镇(图2b)。健康风险评价结果表明,研究区土壤中镉对成人的致癌风险指数在5.67E-07~2.77E-06之间,平均为1.17E-06;对儿童的致癌风险指数在1.42E-06~6.93E-06之间,平均为2.94E-06。可以看出,研究区土壤中镉含量对儿童的风险略高于成人,但均处于可接受的范围。2.3影响因素分析2.3.1级超标率和渗育灰潮田土壤镉含量从不同成土母质来看,各类型母质发育的土壤中镉含量差异显著(表2)。其中,紫灰色冲积物和再积黄壤发育的土壤镉平均含量较高,高于研究区平均值,分别超出国家土壤环境质量二级标准40.00%和13.33%;样点二级超标率也明显高于其他母质类型;灰色冲积物发育的土壤镉平均含量略低于二级标准,但29个样点中约有四分之一样点的镉含量已超过二级标准;紫色冲积物发育的土壤镉平均含量最低,各样点均未超过二级标准。不同土属类别中,由紫灰色冲积物发育而来的潴育灰潮田和渗育灰棕潮田土壤镉平均含量存在显著差异(表2),其中潴育灰潮田镉平均含量高出渗育灰棕潮田43.75%。由于土属类别既可反映区域性的成土母质类型因素,也可反映同一土类不同发育阶段在成土过程上的差异,不同土属镉含量的显著差异表明研究区成土过程差异对土壤镉含量也具有显著的影响。2.3.2农业生物生产利用方式对土壤镉含量的影响从不同农地利用方式来看(表2),种植园艺植物的园地土壤镉含量最高,平均值为0.39mg·kg-1,高出国家土壤环境质量二级标准30.00%,样点超标率达到45.45%,也远高于其他农地利用方式。其次是研究区两种典型的农地方式下土壤镉含量较高,水稻-小麦轮作和水稻-油菜轮作方式下土壤镉含量分别为0.35、0.32mg·kg-1,分别超过二级标准16.67%和6.67%。其他3种农地利用方式下土壤镉平均含量尚未超过二级标准。方差分析结果表明,不同农地利用方式下土壤镉平均含量差异显著,这与不同农地方式上肥料、农药施用差异等因素有关。其中,种植园艺植物的园地土壤镉平均含量与水稻-小麦轮作差异不明显,但与其他几种农地利用方式差异显著,这与该用地方式下肥料和农药的施用量有关。研究区园艺植物用地主要以种植移栽至此的高大乔木和灌木为主,其化肥、农家肥及农药的施用量远高于其他用地方式。两种典型的农地利用方式下镉含量差异不显著,但水稻-小麦轮作镉含量略高于水稻-油菜轮作,其样点超标率也高出水稻-油菜轮作11.36%。有研究表明,成都平原区油菜体内镉含量略高于小麦,同时油菜的生物量大于小麦。因此,研究区两种典型农地利用方式下收获物生物量差异以及油菜小麦对土壤镉的吸收量差异可能是导致两种用地方式土壤镉含量差异的原因之一。2.3.3样点二级超标率比较以境内最大的河流西河和金马河为中心,生成两条河流的缓冲距离,分析水系对土壤镉含量的影响。结果表明(图3a),在距离河流4km范围内,土壤镉含量随着距离的增加呈下降趋势,其中2km范围内下降幅度尤其明显。分段统计表明(表3),距离水系2km范围内土壤镉平均含量均超过二级标准,其中1km范围内样点平均值高达0.45mg·kg-1,显著高于其他距离段,3km范围内样点二级超标率明显大于3km外。这说明,研究区水系分布对土壤镉含量有较大的影响。有研究表明,成都平原西部土壤镉背景平均值达到0.258mg·kg-1(水系沉积物测量分析值,下同),研究区西北部毗邻的龙门山构造带镉背景平均值达到0.376mg·kg-1,而崇州市西北部的石炭系(C)、泥盆系(D)、震旦系(Z)集中分布出露区镉背景平均含量高达0.659mg·kg-1。也有研究表明,长江流域四川段各流域中,岷江水系一级阶地和水系沉积物中镉含量分别为0.27、0.53mg·kg-1,明显高于长江流域四川段的其他支流。上述因素导致了由岷江水系形成的都江堰至本研究区北部元通镇的冲积扇群及湔江冲积扇群上土壤中镉出现明显的富集特征,而且近年来,岷江水系成都段河流表层沉积物中镉含量也有明显增加的趋势。本研究区属于岷江水系的自流灌溉区,主要受境内西河和金马两条主要河流的影响。研究区土壤镉的高含量值在较大程度上受到上述背景因素的影响,而与河流的距离能在一定程度上反映研究区内成土母质的沉积过程和后期的成土过程。因此,与水系的距离对区内土壤镉含量有较大的影响,影响范围为4km左右(图3a,表3)。2.3.4公路土壤镉污染差异以研究区高速公路、国道、省道及县际公路为中心,生成研究区主要交通公路的缓冲距离,分析主要交通公路对土壤镉含量的影响。结果表明(图3b),在距离交通公路1.5km范围内,土壤镉含量随着距离的增加呈下降趋势,其中,1km范围内下降趋势明显。分段统计结果表明(表3),500m范围内土壤镉含量平均值均已超过二级标准;其中,50m范围内土壤镉含量平均值高达0.42mg·kg-1,明显高于其他距离段,100m范围内样点二级超标率远远高于其他距离段。有研究表明,成都经济区大气沉降对土壤镉的贡献率可达到86%。本研究结果进一步表明,由交通公路产生的大气沉降对土壤镉的影响范围主要在1.5km左右。2.4土壤镉的影响程度表4是采用不同影响因素对研究区土壤镉含量进行回归分析的结果。从表4中各回归方程的校正决定系数可以看出,各影响因素对研究区土壤镉含量变异的独立解释能力大小为与水系的距离>土属类别>成土母质>农地利用方式>与公路距离。其中,可体现自然地质过程的因素(与水系距离、土属类别和成土母质)对土壤镉含量变异的独立解释能力明显高于人为活动因素(农地利用方式和与公路距离)。自然因素中,与水系的距离对土壤镉含量变异的独立解释能力为25.68%,高于成土母质类型和土属类型的独立解释能力(表4)。这主要是因为与水系的距离不仅反映了研究区成土母质沉积的先后过程,也能在一定程度上反映后期成土过程的影响,如成土过程中水分的变化情况,因此与水系的距离较成土母质类型和土属类型能揭示更多的地质背景信息,对土壤镉含量变异的独立解释能力更高。人为活动因素中,农地利用方式对土壤镉含量变异的独立解释能力为12.62%,高于交通道路的影响。这是因为农地利用方式是在面域上对土壤镉含量产生影响,交通道路则主要是其沿线范围内对土壤镉含量产生影响(表3、图3b)。由于研究区交通路网密度较大,也能在该区域独立解释土壤镉含量10.58%的变异。上述分析结果表明,研究区土壤镉为自然地质过程和人为活动因素共同作用所致,与前人研究的初步推断一致。本研究结果进一步表明,自然地质过程对研究区土壤镉含量的主控作用总体上大于人为活动因素。考虑到水系分布较母质类型和土属类型能反映更多的区域地质过程信息以及其对土壤镉含量的影响范围,采用方差分析对距离水系4km前后两个距离段内各因素对土壤镉的影响程度进行分析。结果表明(表5),在距离水系4km范围内,土属类别、母质、与水系距离和交通道路对土壤镉含量均有显著的影响,农地利用方式的影响则不显著;从各因素的组间方差贡献率来看,自然地质过程因素对土壤镉含量的影响程度大于人为活动因素。而在距离水系4km之外,各因素对土壤镉含量的影响差异不显著;但从各因素的组间方差贡献率可以看出,农地利用方式和交通道路的组间方差贡献